Deel III. Getallen In de vorige oefening heb je kunnen zien dat een satellietbeeld uit pixels bestaat. Nu zullen we eens kijken wat zo n pixel ons kan leren. Om dat te doen zullen we eerst analyseren hoe zo n beeld is opgebouwd. Lacs de l Eau d Heure IR-beeld Landsat TM van mei 1992 Copyright 1992 ESA, Distribution by Eurimage Dit beeld is een Landsat TM beeld van de meren van Eau d'heure, ten zuidwesten van Philippeville. De resolutie bedraagt dus 30m. In een beeldbewerkingsprogramma is het mogelijk de waarde van elke pixel te visualiseren. Het gehele beeld is dus eigenlijk niet meer en niet minder dan een reeks getallen. Wat betekenen die getallen? De satelliet heeft geen fototoestel aan boord, maar een zogenaamde 'scanner'! Deze scanner (of: aftaster) tast een gebied op aarde af en meet de hoeveel licht (of ev. andere straling) dat het gebied terugkaatst naar de ruimte. Deze hoeveelheid licht, 'onthoudt hij' als een getal gelegen tussen 0 en 255. Zo kan de scanner voor het ene gebied bijvoorbeeld 40 meten en voor het andere 80. Dat betekent dat er in het tweede gebied twee maal zoveel licht teruggekaatst wordt als in het eerste. Hoe meer licht de scanner meet, hoe hoger de waarde. Meer kan de scanner in de satelliet niet! Al deze metingen stuurt de satelliet via een zender naar een ontvangststation op aarde. Op aarde worden die getallen als een computerbestand opgeslagen en de computer vertaalt de getallenreeks in een beeld. Hiervoor wordt elk getal omgezet in een pixel. III-13
De computer geeft een witte kleur aan pixels met hoge waarden, (ongeveer 255) en een zwarte kleur aan pixels met lage waarden (ongeveer 0), de lichtwaarden die daar tussenin liggen, krijgen een kleur gaande van lichtgrijs naar donkergrijs en zo wordt een beeld gevormd zoals dit van de meren van Eau d'heure, ten zuidwesten van Philippeville. De satelliet stuurt dus zelf geen beeld naar de aarde! Vraag 9 - Welke zijn de waarden van de pixels van de zwarte vlek in het midden van het beeld en wat kunnen we daaruit afleiden? A. Lage waarden:dit wijst op de aanwezigheid van grote oppervlakten water. B. Lage waarden:dit wijst erop dat dit gebied weinig licht terugkaatst. C. Hoge waarden:dit wijst op de aanwezigheid van grote oppervlakten bos. D. Hoge waarden:dit wijst erop dat dit gebied veel licht terugkaatst. In de oefening 'Resolutie' leerde je dat de details die je kan waarnemen in een satellietbeeld afhankelijk zijn van de resolutie van het beeld. Nu weet je ook dat een satellietbeeld is opgebouwd uit pixels die een bepaalde 'lichtwaarde' voorstellen. We gaan deze twee eigenschappen nog eens bekijken aan de hand van een ander beeld, een deel van een satellietbeeld genomen door het VEGETATION instrument aan boord van Spot4. België - Jaarsynthese van SPOT VGT beelden uit 2000 Kleurencomposiet Midden-infrarood - Nabij-infrarood - Rood Copyright CNES 2000 Met de vriendelijke toestemming van P. Defourny, UCL III-14
Laten we eens naar de resolutie kijken van zo n beeld: als we, zoals in oefening Resolutie, het omkaderde deel van het beeld zes maal vergroten, krijgen we volgend beeld: Je ziet weer de blokjes. Eén zo'n blokje omvat in het geval van SPOT VGT een oppervlak van 1 x 1 km. Probeer nu maar eens de luchthaven van Zaventem terug te vinden op dit beeld! Onmogelijk, niet? Binnen die grote pixels van 1 bij 1 kilometer zie je geen details. Je kan geen huizen, geen bomen, geen wegen, onderscheiden. Hoe komt dat? Als er binnen zo'n groot vierkant bijvoorbeeld een tuinbouwkas staat, die heel veel licht weerkaatst en ook een bosje dat weinig licht weerkaatst, meet de scanner de gemiddelde straling in dat vierkant en geeft daarvoor maar één getal. Daardoor kun je op SPOT VGT of Meteosatbeelden (resolutie van 2,5 km in het kanaal van het zichtbaar licht) onmogelijk afzonderlijke huizen zien. Vraag 10 - Zou je op Meteosatbeelden rivieren en beken kunnen zien? A. Ja, want water kaatst heel veel zonlicht terug. Water glinstert! B. Nee, want zonlicht verdwijnt in het water : het gaat het water in. Het wordt geabsorbeerd. C. Ja,want op satellietbeelden kun je de kleinste details zien. D. Nee, meestal niet, want rivieren en beken zijn veel smaller dan 2,5 km. Samengevat: Een satellietsensor meet licht of liever een straling. In functie van het instrument aan boord, kan de satelliet eveneens stralingen meten die wij niet met het blote oog kunnen waarnemen, zoals bijvoorbeeld infrarood en ultraviolet (zie oefening Valse kleuren ). De satelliet zendt die metingen onder de vorm van een reeks getallen naar de aarde. Op de aarde worden de getallen door de computer omgezet naar pixels of beeldelementen die samen het beeld vormen. III-15
Ware kleuren In de vorige oefeningen hebben we gezien dat satellietbeelden soms vreemde kleuren hebben. Het gebruik en de betekenis van kleuren kan, naargelang het specifieke geval, aanzienlijk verschillen. Zo kan het blauwe water bijvoorbeeld evengoed in het rood zijn weergegeven. Het licht dat van de zon komt, lijkt kleurloos, maar dat is het niet. Het bestaat uit heel veel kleuren, je kunt al deze kleuren zien in de regenboog. Deze kleuren maken deel uit van het zichtbare gedeelte van het elektromagnetisch spectrum. Naast het zichtbare licht dat we met onze ogen kunnen zien, zie je dat er in dit elektromagnetisch spectrum ook nog zonlicht aanwezig is dat we niet met onze ogen kunnen waarnemen. Zo bestaat er naast het zichtbare rode licht ook infrarood zonlicht, meestal afgekort met de letters 'IR'. Een klein deel van dit 'licht' kun je wel voelen: het is de zonnewarmte! Aan de andere zijde van het spectrum heb je een speciaal soort violet. Dit is het ultraviolette deel van het zonlicht, of 'UV'. Net als bij infrarood licht, kunnen wij UV licht niet zien maar wel voelen. Met een klassieke camera of film kan je IR en UV-licht niet fotograferen. Met speciale films en sensoren lukt dat wel. In de teledetectie-wereld maakt men handig gebruik van dit zichtbare en onzichtbare licht. Een satelliet kan namelijk metingen verrichten in bepaalde gedeelten van dit elektromagnetisch spectrum, afhankelijk van de sensoren die ze aan boord heeft. Zo kan men sensoren maken die enkel gevoelig zijn voor het rode, het blauwe, het groene of zelfs het IR en UV-licht. Wanneer bijvoorbeeld een sensor gevoelig is voor het blauwe licht dan meet deze sensor enkel het blauwe licht dat door de voorwerpen op aarde weerkaatst wordt. Is de sensor gevoelig voor IR-licht dan meet de sensor voor elke pixel de hoeveelheid IR-straling. Deze waarnemingen worden afzonderlijk weggeschreven. Zo spreekt men van een blauwe spectrale band, een rode spectrale band of een IR spectrale band. Meestal echter spreekt men kortweg over IR band. Laten we nu zo één band bekijken. Daar komen dus de reflectiewaarden in voor van één kleur. De reflectiewaarden in dit beeld kunnen, zoals je in oefening Getallen gezien hebt, liggen tussen 0 en 255. Het beeld hiernaast is een beeld van Anseremme, ten zuiden van Dinant, en stelt een band met metingen van het blauwe licht voor. We zien daarop hoeveel blauw licht daar op 18 oktober 1999, teruggekaatst en door de satelliet gemeten werd. Maas, Anseremme Landsat ETM+ blauwe band Copyright 1999 USGS Het beeld maakt duidelijk dat de sensor bijna overal blauw licht heeft gemeten alhoewel er slechts weinig blauwe voorwerpen voorkomen in de natuur. Dit komt doordat in veel kleuren blauw voorkomt. III-16
Hiernaast zie je hoeveel blauw licht er in elke kleur zit. Een sensor gevoelig voor blauw licht meet hoeveel blauw licht er aanwezig is in alle lichtsoorten! Dus niet alleen het licht dat wij als blauw zien. De figuur maakt duidelijk dat blauwe voorwerpen uiteraard een hoge waarde krijgen maar ook paarse voorwerpen! De getallen zijn weergegeven in zogenaamde grijswaarden waardoor je grijstinten ziet. Hoe lager het getal, hoe donkerder grijs. Hoe donkerder het grijs, hoe minder blauw licht er gemeten werd. Beeldverwerkingsprogramma s laten toe een kleur toe te kennen aan die tonaliteiten grijs. Het lijkt logisch om de metingen in het blauwe licht in het blauw te kleuren. Maar het is eveneens mogelijk om aan die tonaliteiten een rode of groene kleur toe te kennen, zelfs verschillende kleuren. Als men dat beeld in het blauw kleurt, zijn de laagste waarden altijd zwart (of donker) maar zijn de hoge waarden nu blauw. Hoe witter een gebied was op het initiële beeld, hoe helderder blauw het zal zijn. Zelfs als het beeld er zo totaal anders uitziet, mag men toch niet uit het oog verliezen dat het satellietbeeld waarmee we werken hetzelfde is. Blauwe band van het beeld van Anseremme: weergave in blauw, rood en in meerdere kleuren Het meerkleurenbeeld werd bekomen door paars te gebruiken voor de lage waarden, rood voor de hoge waarden en het geheel aan regenboogkleuren voor de tussenliggende waarden. Dit beeld is onherkenbaar. De kleuren komen niet meer overeen met de werkelijkheid, maar ze bieden het voordeel dat de verschillende waarden beter uitkomen. Overigens zijn de waarden van de pixels nog steeds hetzelfde. We kunnen dus om het even welke kleur toekennen aan de beelden. We kunnen aan de band de overeenkomstige kleur toewijzen (blauwe band in een blauwe kleur, rode band in een rode kleur), maar we kunnen ook andere kleuren toewijzen aan die band. We willen nu een mooi kleurenbeeld bekomen waarvan de kleuren overeenkomen met die van het landschap. Om dat te doen, hebben we de metingen nodig van drie spectrale banden. Op de volgende pagina kan je de drie banden bekijken (respectievelijk blauw, rood en groen). Je ziet duidelijk dat in elke band andere elementen een lichte of donkere tint hebben. Met behulp van een beeldverwerkingsprogramma kunnen we aan elk van die banden een van de primaire kleuren toekennen (rood, groen, blauw) en deze combineren tot een nieuw beeld, een kleurencomposiet. III-17
Blauwe, rode en groene band van het Landsat ETM+ beeld van Anseremme - Copyright 1999 USGS Voor elke pixel mengt de computer de zo bekomen porties rood, groen en blauw en heeft ons een kleurenbeeld. Door blauw, groen en rood licht te combineren kan men eigenlijk alle andere kleuren bekomen. Zo geeft de combinatie van bijvoorbeeld blauw en rood licht een paarse kleur, de combinatie van groen en rood licht geeft een gele kleur, de combinatie van blauw, groen en rood licht geeft wit. Deze combinaties leveren natuurlijk andere resultaten op dan wanneer je verf gaat mengen. Wanneer we de rode kleur toekennen aan de rode band, de blauwe kleur aan de blauwe band en de groene kleur aan de groene band en deze banden combineren, zien we de ware kleuren verschijnen. Om die reden worden dergelijke combinaties ware kleurenbeelden genoemd. Zo n beeld lijkt op een kleurenfoto. Het contrast is niet zo groot daar, op dit beeld, het merendeel van de kleuren overeenkomen met de werkelijkheid. Nochtans is dit beeld niet op dezelfde manier gemaakt als een foto. Men heeft drie verschillende bestanden met metingen gebruikt en ze vervolgens gecombineerd tot een enkel beeld. Een foto echter wordt gecreëerd met behulp van slechts één fotografische film. Ware kleurencomposiet Valse kleurencomposiet Naast ware kleurenbeelden bestaan er ook nog kleurenbeelden die andere kleuren gebruiken. Meestal zijn de kleuren op dergelijke composieten vals of artificieel. Anders gezegd, het zijn niet dezelfde kleuren als die je ogen waarnemen. Bekijken we nu eens dezelfde gegevens van Anseremme maar in een andere kleurencomposiet op basis van valse kleuren. Het beeld bevat voornamelijk rood. Op zo n type beeld verschijnen de groene bomen veelal in het rood. Een geel strand kan weergegeven zijn in het blauw, het water in het zwart, enz. Het verbaast je misschien wanneer we je zeggen dat dergelijke vreemde beelden het meest gebruikt worden. Op welk beeld zien we de Maas het duidelijkst? Inderdaad : op het rode beeld! Het gebruik van infrarood licht laat ons toe bepaalde elementen zichtbaar te maken die dat normaal niet zijn, zoals bijvoorbeeld de warmte, of bepaalde elementen duidelijker te onderscheiden. III-18